王冰1，郝庆乐2，黄森2，程战1，丁天然2，秦建2，龙伟民1*
1.中机智能装备创新研究院（宁波）有限公司 浙江宁波 315700
2.郑州机械研究所有限公司 河南郑州 450000
摘要：焊接作为制造业的重要基础技术，在国民经济和国防建设中发挥了越来越重要的作用，支撑着航空航天、汽车、船舶、能源、化工、机械及电子等众多领域的产业发展。21世纪的中国正在成为全球制造中心，我国传统制造业面临全面的升级和技术创新，优化焊接产业迫在眉睫。焊接材料、工艺、装备的交叉融合发展是促进焊接技术快速进步的关键。焊接过程的安全、健康与环境越加重要，随着焊接材料向低能耗、高效率、优质化方向发展，焊接技术向柔性化、复合化、绿化方向创新，焊接装备向数字化、智能化、网络化方向转型，我国已成为焊接技术应用和输出大国。加大焊接产业自主创新能力，打造出一批规模与效益并举，极具持续发展潜力，位居世界前列的“专、精、特、新”世界品牌企业，是从事焊接制造者的历史责任，也是实现制造强国战略目标的必由之路。 关键词：制造强国；焊接材料；焊接技术；焊接装备
1 序言
制造业是立国之本，是国家实力的重要体现。制造业是国民经济的主体，打造具有全球竞争力的制造业，是提升国家综合国力与核心竞争力的必由之路。国内制造业发展迅猛，但部分高端装备制造与国外差距仍然较大。而焊接产业是制造业不可或缺的重要组成部分，在制造业的发展过程中，焊接起着举足轻重的作用[1]。
“中国制造2025”重点发展的十大领域中，与焊接[2]发展密切相关的有8项。焊接是高端装备制造基础技术，具有不可替代性。只有加强焊接产业的外延式发展，加速跨专业协同、多学科融合，提高焊接技术的成组成套能力，才能加快焊接技术与装备的数字化、智能化发展，提升我国高端装备制造的服务能力与水平[3]。
焊接材料、焊接工艺、焊接装备[4]是焊接产业的三大核心板块，三个板块的飞速发展促进了国内焊接技术的快速进步。由于焊接过程中产生的焊接烟尘、废气、残渣等带来的环境污染问题难以避免，焊接安全、健康与环境越加重要，因此改善操作环境势在必行。
2 制造强国发展
纵观美洲、欧洲等发达国家的强国之路可以看出[5]，具备规模雄厚、结构优化、技术创新能力强、发展质量好，以及产业链国际主导地位突出的制造业是国民经济持续发展及国家安全的基础。
通过对有代表性国家的制造业进行梳理和研究，大致上可以将“制造强国”的内涵概括为以下三个方面：一是规模和效益并举。从美国、德国、法国及日本等世界公认的制造强国的发展历程来看，最基本的特征就是制造业规模日趋壮大，产业质量不断提高。二是具有较高国际分工地位。当今多数制造强国中，高技术产业和服务型制造占比较高，尤其是信息技术的应用使其拥有很强的核心竞争力。三是具有较好的发展潜力。不论是既有的制造强国，还是具有后发优势的“潜在”制造强国，
基金项目：宁波市“3315”人才计划2020年创新团队C类。
通信作者：龙伟民，研究员，主要从事新型钎焊材料及其生产技术、钎焊工艺与设备研发及应用，E-mail：***********************。
都要求具有良好的发展潜力，以强大的自主创新能
力实现制造业资源节约、环境友好、绿发展，具
备持续发展的能力。
制造强国主要表现出以下几方面的特征：①拥
有雄厚的产业规模。反映了制造业发展的实力基础，
表现为产业规模较大，具有成熟健全的现代产业体
系，在全球制造业中占有相当比重。②优化的产业
结构。反映了产业间的合理结构，各产业之间和产
业链各环节之间的密切联系，产业组织结构优化，
基础产业和装备制造业水平较高，拥有众多有较强
竞争力的跨国企业。③良好的质量效益。体现了制
造业发展质量和国际地位，表现为制造业生产技术
水平世界领先、产品质量水平高、劳动生产率高、
创造价值高以及占据价值链高端环节等。④持续的
发展能力。体现高端化发展能力和长期发展潜力，
表现为具有较强的自主创新能力，能实现绿可持
续发展，信息化发展水平较高[6]。
2.1 中国制造业现状
2018年，我国制造业增加值占世界的份额超过28%，接近美国、日本、德国的总和，数百种工业品产量位居全球首位。我国已拥有31个工业大类、191个中类、525个小类，形成了独立完整的现代工业体系，是全世界唯一拥有联合国产业分类中全部
工业门类的国家。中国制造业面向全球市场，构建
起庞大而精细的生产分工体系，极大地提高了生产
效率，形成世界其他地方很难达到的交付能力。我
们正在由“跟跑者”转变为“并跑者”，甚至在一
些领域正在成为“领跑者”。2018年，中国R&D经
费投入强度（R&D经费与GDP的比值）为2.19%，
比上年提高0.04%，连续5年超过2%，并再创历史
新高。中国R&D经费投入的三大主体：企业、研究
机构和高等学校R&D经费分别比上年增长11.5%、10.5%和15.2%，对R&D经费增长的贡献分别为75.9%、12.4%和9.3%，企业依然是全社会R&D经费增长的主要拉动力量。根据数据显示，2018年
我国工业制成品出口额为2.35万亿美元，同比增长9.61%；工业制成品进口额为1.43万亿美元，同比增长13.46%。
近年来，我国科技创新取得了显著成就，但自
主创新能力不强，我国在国际分工中尚处于技术含
量和附加值较低的“制造-加工-组装”环节，主要体现在质量基础相对薄弱，国家监督抽查产品质量
不合格率较高，制造业每年直接质量损失超过2000亿元，间接损失超过万亿元，缺乏世界知名品牌。产业结构不尽合理，资源密集型产业比重过大，技术密集型产业和生产型服务业比重偏低，具有较强国际竞争力的大企业偏少，在细分领域掌握核心技术的“专、精、特”企业不多。能源利用效率偏低，一些地方和企业单纯依靠大规模要素投入获取经济增长速度和经济效益，造成能源利用率偏低和环境污染严重。信息化水平不高，信息基础设施建设和应用水平仍然滞后于发达国家，利用信息技术改造传统生产方式和工艺流程的水平亟待提升，关系国家经济、社会安全的高端核心工业软件（设计、管理
、控制、优化等）主要依赖进口。
2.2 中国制造业的机遇和挑战
中国制造业的发展速度令世界瞩目，未来较长一段时间内，农业的比重会下降，服务业的比重会提高，但制造业将一直占据重要的地位。虽然我国的制造业规模庞大，但仍有着很大的发展空间。从制造大国迈向制造强国，需要从提高效率入手，打造出规模与效益优化、极具发展潜力、位居世界前列的制造业。
新工业革命与我国加快建设制造强国形成历史性交汇，留下不少教训，但同时也是极大的机遇。发达国家以数字化、智能化制造技术应用为重点，力图依靠科技创新，抢占国际产业竞争制高点，谋求未来发展的主动权。而我国的现代化同西方发达国家的发展方式有很大不同，西方发达国家是一个“串联式”的发展过程。德国的制造水平、信息化发展水平世界领先，已经开始推进工业4.0战略。而按照德国的划分标准，我国工业企业整体处于2.0的
水平，需要补上从工业2.0到3.0的差距，才能实现4.0的方向发展。因此，我国要加快推动新一代信息技术与制造技术融合发展，把智能制造作为两化深度融合的主攻方向，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平。把握当下，迎接挑战。相信不久的将来，“中国制造”定会真正深化为“中国智造”与“中国创造”。
2.3 制造强国之路
“中国制造2025”是建设制造强国三步走的第一个10年行动纲领，提出了制造业国别比较的评价
指标体系，具体包括了规模发展、质量效益、结构
优化和可持续发展4个一级指标，以及制造业增加值、制造业增加值率、全球“财富”500强中本国制造业企业营业收入占全部制造业企业营业收入比重、制造业研发投入强度等18个二级指标。在国际政经格局不发生重大变化的情况下，综合考虑工业发达国家工业化进程各阶段综合指数的增长率和我国GDP增长率，构建适合我国国情的综合指数预测模型，对未来我国制造业综合指数发展趋势进行预测。
第一阶段到2025年，综合指数接近德国、日本实现工业化时的制造强国水平，基本实现工业化，中国制造业迈入制造强国行列，进入世界制造业强国第二方阵。在创新能力、全员劳动生产率、两化融合、绿发展等方面迈上新台阶，形成一批具有较强国际竞争力的跨国公司和产业集，在全球产业分工和价值链中的地位明显提升，模型预测我国制造业综合指数要达到98.81。而2018年，我国制造业综合指数已经到达109.94。
第二阶段到2035年，综合指数达到世界制造业强国第二方阵前列国家的水平，成为名副其实的制造强
国。在创新驱动方面取得明显进展，优势行业形成全球创新引领能力，制造业整体竞争力显著增强，我国制造业综合指数最高可达到115~120，与德
国2012年水平基本相当，与其他国家工业化完成后10~15年水平基本相当。
第三阶段到2045年，综合指数率略高于第二方阵国家的水平，进入世界制造业强国第一方阵，成为具有全球引领影响力的制造强国。制造业主要领域具有创新引领能力和明显竞争优势，建成全球领先的技术体系和产业体系。我国制造业综合指数可达到125~130，略高于日本2012年水平，与其他国家工业化完成后20~25年水平基本相当。
3 焊接产业现状
3.1 焊接材料发展现状
20年来，我国焊接材料总产量从快速上升到稳
中趋降，产品结构日趋合理。供需矛盾得到一定程度的缓解，但局部的不平衡依然存在，中低端产品产能过剩，高端产品国产化配套仍然不足。焊条比例已下降至38%以下，并将逐渐减少至30%以下，接近工业发达国家水平；而气体保护实芯焊丝的生
产比例逐年递增，目前已超过40%，反映出自动焊比例在逐渐提升，制造业在逐渐向自动化制造转变。药芯焊丝占比较为平稳，相比2010年度甚至有下降趋势，表明药芯焊丝电弧焊有待进一步推广。
随着工程化对焊接效率需求的提高和焊接机器人的普及，我国适用于高效焊接的气体保护实芯焊丝、药芯焊丝、高效埋弧焊材产品发展明显加快。气体保护实芯焊丝已实现500~1000MPa强度级别系列化，盘状、桶装等供货形式多样化[7]；药芯焊丝从无到有，历经从非金属粉芯到金属粉芯、从有缝到无缝、从气体保护到自保护的发展过程[8]；埋弧焊从单丝发展到多丝，从常规发展到超大厚度窄间隙焊接等更加高效的工艺方法。近10年来，我国应用于国家重点工程和重大装备，诸如军工、核电、超超临界机组、大型加氢反应器、高技术船舶、海洋工程和深冷工程[9，10]等的高端优质焊接
材料自主化率不断提升，由过去的不足10%提升至20%~30%，高端装备制造业和新能源产业所需的高端优质焊接材料逐年增加，而智能制造对焊接材料适应于高强高韧、高温高压、超低温、耐强腐蚀、耐强辐射和高纯净度等提出更高要求。焊条制造已发展由高速拉丝切丝联合、高精度自动配粉、天然气烘干等节能环保制备[11]。为了满足国内电子封装行业的要求，钎料无害化制备和应用开展了一系列关键共性技术攻关，开发出系列无铅钎料、无镉钎料、无缝药芯钎料、自黏结药皮钎料等钎料/钎剂一体化的减排型复合钎料，减排有害物超过50%[12]。
由于有金属铝、镁、钛及镍等具有轻量、高强、记忆功能、耐高温、耐腐蚀等特点，所以近年来在航空航天、高铁、汽车、核电和化工等领域得到广泛应用。5000系列铝镁合金具有良好的焊接
性和耐蚀性[13]，国内用于动车车体制造的Al5183、Al5356等铝镁焊丝正在研发推广，但焊丝的气体及杂质控制，以及表面处理工艺与国外相比仍有一定差距。另外，钛基带状钎料[14]解决了不锈钢及钛合金板翅式散热器的真空钎焊难题。
3.2 焊接制造技术发展现状
焊接技术围绕减排、节材、提效、降耗的绿化方向发展[15-17]，如开发了低烟尘焊丝，以降低发尘量，减少对环境的污染和人体的伤害；开发的
无镀铜焊丝避免了镀铜过程中酸碱液体对环境的污
染，也降低了能耗；开发的高速熔覆工艺替代高污
染电镀工艺，改善了表面改性质量，提高了服役周
期，降低了电镀工艺对环境的污染；轻量化材料的
使用降低了不可再生能源的消耗，减少了对环境的
污染。传统钎焊[18]存在危害健康、污染环境、能耗
高与效率低等问题，为了减少钎焊过程中产生的烟
尘、废水等废弃物的排放量，开发了一系列无害化
钎料、高效绿钎焊[19]技术等（见图1），绿焊接
制造技术已成为焊接行业发展的主流方向。
a）低烟尘焊丝
b）超高速激光熔覆工艺
图1 低烟尘焊丝和超高速激光熔覆
长期以来，异质材料连接一直是高端装备制造
业的难点和痛点，近年来国内外陆续开发出了先进
的成形与连接技术，已逐渐成为异质材料连接的主
要途径。由于异质材料连接能发挥材料各自的优良
性能，因此在航空航天、新能源、轨道交通、制冷
及超硬工具等领域具有广阔的应用前景。目前，在
异质材料连接方面开发了许多新技术，如在线梯度
复合技术，实现了石墨与铜的高可靠连接；表面构
形与焊缝控形技术，实现了异质材料的有序润湿；
热力耦合与应力缓释技术，实现了界面强化和应力
缓冲。异质材料连接技术难点的解决，推动了异质
材料连接结构在国家重大工程中的应用，助推了国
内高端装备向高质量发展。
随着钎焊技术的发展及其应用行业的不断拓
展，实现钎焊自动化的要求越来越迫切[20]。自动化
钎焊时，在装配过程中需将钎料预制成形并装于被
钎焊组件上。自动化钎焊除了可提高生产效率并减
少钎剂用量，还可减少钎剂污染夹具所造成的危
险。图2为铝制多管路接头的自动火焰钎焊。由图
2可知，将钎料与钎剂复合为一体的连续型药芯钎
料与药皮钎料是实现自动钎焊的新途径，新型钎焊
材料与技术国家重点实验室已经成功开发出此类产
品。复合钎料可显著提高生产效率和产品质量稳定
激光熔覆工艺
性，自动钎焊设备数控化、智能化是必然的发展趋
势。
a）铝制管路接头火焰钎焊 b）钎焊生产线
图2 制冷行业自动化钎焊技术应用
3.3 焊接装备自动化发展现状
在工业发达国家的焊机制造厂商全部进入逆
变焊机时代的今天，因需求不同，我国变压器式交
流电源的退出虽然还没有结束，但相较交流电源而
言，晶闸管等传统直流焊接电源的退出却在提速，
尤其是2000年以后这一趋势来得更快也更为彻底。
未来数字化产品、自动化设备与基于逆变及数字化
技术的各类焊接设备的需求会越来越多，这也必然
是国内焊接电源的发展方向。虽然相比国外，国内
在电源方面相对落后，但随着近年来国内智能传感
系统等技术的普遍应用，可以看出这方面的差距正
在不断减小，不断推出的数字化及自动化焊接电源
产品也证明了这一点。
近年来，“数字化焊接车间”被引入焊接领
域，自2005年开始，国内外设备制造商基于数字
焊接设备硬件平台的焊接管理软件，相继推出了信
息化焊接管理系统，如图3所示。多年来国内在此
方面，类似的系统不断推陈出新。以国内某企业的
控管理、视觉识别与跟踪系统在集装箱焊接应用
为例，设备将图像识别跟踪系统整合于拼板直缝自
动焊接专机上，用于薄板拼接无坡口直缝自动化焊接。该系统基于图像处理的焊缝跟踪系统，解决了机械探头及激光跟踪在0.5mm 以下焊缝宽度时不能有效跟踪的问题，并实现无需进行扫描的实时跟踪。系统适用于MAG 、MIG 、TIG 、SAW 等焊接方式，易与各种自动化焊接装备配套使用，实现高质量自动化焊接。
随着以电阻焊、搅拌摩擦焊、爆炸焊等焊接方法为代表的压力焊技术被广泛应用在航空航天、能源、电子与轨道交通等领域。据统计，全世界每年由压力焊完成的焊接量占总焊接量的33.3%，并呈现出继续增加的态势，尤其是日趋成熟的搅拌摩
擦焊技术更是在铝合金加工领域大放异彩。目前国内电阻焊已能实现自主化生产，搅拌摩擦焊已实现40mm 厚度铝合金的焊接，爆炸焊已广泛应用于石油石化、海洋工程、燃气运输等领域复合板的制造，部分技术已达到或接近国际先进水平。但目前压力焊设备的核心部件，如电阻焊的中频变压器和大功率整流管、搅拌摩擦焊的高强搅拌头等部件依然依赖进口，需要相关企业提高创新研发能力，提高制造能力，从而进一步推广绿低碳焊接技术。
随着工业对高生产效率和优质焊接质量的迫切需求，以激光焊、激光复合焊、电子束焊、等离子弧焊及多电极复合焊等为代表的一批高效优质焊接
a ）信息化管理示意
b ）信息化管理原理
图3 信息化焊接管理系统
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议